三鑫金銅礦保安礦柱回收合理充填體強(qiáng)度研究

劉小春 張小瑞 劉博

摘要：為安全回收三鑫金銅礦的保安礦柱并保證充填采場的穩(wěn)定性，對采場的合理充填體強(qiáng)度進(jìn)行理論計算，并對不同充填體強(qiáng)度（灰砂比）下采場穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬，確定了合理充填體強(qiáng)度。結(jié)果表明：采場充填體所需合理強(qiáng)度主要與采場長度和充填體高度有關(guān)，對于長度20～60 m、高度40 m的保安礦柱采場，充填體強(qiáng)度需達(dá)到3.5 MPa以上，其周邊區(qū)域巖移量不超過2 mm，在設(shè)計規(guī)范允許的范圍內(nèi)，能夠保障安全。

關(guān)鍵詞：保安礦柱；充填采礦法；合理充填體強(qiáng)度；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2024）04-0013-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240404

引 言

目前，充填采礦法是金屬礦山地下開采常用的開采方法［1-2］，特別是對于圍巖和地表需要保護(hù)、礦體形態(tài)復(fù)雜的高品位或貴金屬礦床，充填采礦法的優(yōu)越性更為突出。對于使用充填采礦法的采場，充填體強(qiáng)度會直接影響采場的穩(wěn)定性，如何得到充填體的合理強(qiáng)度、降低采礦成本已成為研究的熱點。李文波等［3］通過研發(fā)充填添加劑并進(jìn)行充填配比試驗和力學(xué)試驗，使充填體抗壓強(qiáng)度和流動性得到改善，并降低了充填材料成本。黃德鏞等［4］通過建立FAHP-CRITIC法組合賦權(quán)的綜合評價模型對不同充填材料方案進(jìn)行評選，得到了充填材料的最佳配比，并推廣使用。王作鵬等［5］通過數(shù)值模擬確定了最佳礦柱寬度和充填體強(qiáng)度，使礦柱穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。苗磊剛等［6］通過開展不同配比充填體力學(xué)試驗，并結(jié)合Flac3D軟件對充填體在采場內(nèi)的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析，確定了充填體的最低灰砂比。楊志強(qiáng)等［7］結(jié)合料漿管道輸送特性對充填料漿配比進(jìn)行了優(yōu)化，得到了合理的充填體強(qiáng)度和料漿流動性。鄧雪杰等［8］提出了充實率控制導(dǎo)向的膠結(jié)充填體強(qiáng)度設(shè)計方法，得出了實際工程中的充填體平均強(qiáng)度。合理的充填體強(qiáng)度既能保證采場的穩(wěn)定性，又能降低采礦成本，因此，對充填采場的合理充填體強(qiáng)度進(jìn)行研究尤為重要。

三鑫金銅礦采用分段空場嗣后充填采礦法、淺孔留礦嗣后充填采礦法、上向水平高分層（高分段）充填采礦法進(jìn)行回采，多個回采中段同時供礦，主要生產(chǎn)區(qū)域位于-570 m中段及以上淺部區(qū)域，保安礦柱礦量共計172.39萬t。為盡可能多地開發(fā)礦產(chǎn)資源，三鑫金銅礦采用盤區(qū)分段回采階段充填采礦法對保安礦柱進(jìn)行回收，本文對保安礦柱采場的合理充填體強(qiáng)度進(jìn)行研究，并分析不同充填體強(qiáng)度（灰砂比）條件下巖體移動情況，據(jù)此得出合理的保安礦柱采場充填體強(qiáng)度參數(shù)范圍，為礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 保安礦柱采場充填體強(qiáng)度分析

根據(jù)三鑫金銅礦充填體室內(nèi)試驗結(jié)果，結(jié)合類似礦山經(jīng)驗，充填體密度為2 000 kg/m3，內(nèi)聚力為1.09 MPa，內(nèi)摩擦角為35.86°。分別采用Thomas算法和盧平算法計算不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下充填體所需的合理強(qiáng)度。

1.1 Thomas算法分析

根據(jù)Thomas經(jīng)驗公式（見式（1）），可計算出充填體底板的垂直應(yīng)力，該公式的適用范圍為充填體長度不小于充填體高度的一半。采用Thomas算法計算結(jié)果見表1。

式中：σv為作用在充填體底部的垂直應(yīng)力（MPa）；γ為充填料的容重（kN/m3）；h為暴露的充填體高度（m）；w為暴露的充填體長度（m）。

1.2 盧平算法分析

由于在Thomas經(jīng)驗公式中只考慮了充填體的幾何尺寸和充填體的容重，而對于充填材料的強(qiáng)度特性沒有加以考慮。盧平在Thomas算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)了該算法，拓展了Thomas算法的適用范圍，盧平算法計算公式見式（2）。采用盧平算法計算結(jié)果見表2。

式中：k為側(cè)壓力系數(shù)，k=1-sin φ1，φ1為充填體與圍巖間的摩擦角（°）；C1為充填體與圍巖間的內(nèi)聚力（MPa）；C為充填體的內(nèi)聚力（MPa）；φ為充填體的內(nèi)摩擦角，α=45°+φ/2。

根據(jù)2種計算方法的結(jié)果，采場充填體所需合理強(qiáng)度主要與采場長度和充填體高度有關(guān)。在相同高度下，充填體所需強(qiáng)度隨采場長度增大而增大；在相同采場長度下，充填體所需強(qiáng)度隨充填體高度增大而增大，一般采場底部充填體所需強(qiáng)度最大。

2 采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 模擬方案設(shè)計

根據(jù)礦山實際充填情況，基于控制變量原則，利用3DEC分別對-570 m中段整體充填灰砂比1∶6，1∶8和1∶10 3種方案的充填體強(qiáng)度進(jìn)行模擬分析，模擬中所采用的各充填體特性參數(shù)見表3。

2.2 模型建立

本次不同充填體強(qiáng)度下數(shù)值模擬計算模型的尺寸為長650 m（x軸方向）×寬600 m（y軸方向）×高250 m（z軸方向），分別賦予相應(yīng)的材料屬性，施加相應(yīng)的邊界條件和初始條件，得到最終的數(shù)值計算模型見圖1。

2.3 計算結(jié)果及分析

1）方案1計算結(jié)果分析。

將模型中-570 m中段的礦體特性參數(shù)設(shè)置為方案1的充填體特性參數(shù)，然后進(jìn)行運(yùn)算，平衡后的模型見圖2，-470 m、-520 m和-570 m水平剖面位移云圖見圖3-a）、b）、c），穿過老主井、新主井、副井的垂直剖面位移云圖分別見圖3-d）、e）、f）。

由圖3可知：模型上表面影響區(qū)域在385 m×240 m（長×寬）的范圍內(nèi)，且在上表面影響范圍最大；隨著深度的增加，影響范圍逐步減小，各剖面最大位移量均為充填體的沉降量約為5 mm。另外，當(dāng)灰砂比為1∶6（即充填體強(qiáng)度約為7 MPa）時，新主井和副井完全位于影響范圍之外，而老主井雖然會受到一定影響，但其周邊區(qū)域巖移量約為1 mm，在GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》允許的范圍內(nèi)，因此當(dāng)充填體強(qiáng)度超過7 MPa時，充填后能保證新主井、老主井和副井的安全穩(wěn)定。

2）方案2計算結(jié)果分析。將模型中-570 m中段的礦體特性參數(shù)設(shè)置為方案2的充填體特性參數(shù)，然后進(jìn)行運(yùn)算，-470 m、-520 m和-570 m水平剖面位移云圖見圖4-a）、b）、c），穿過老主井、新主井、副井的垂直剖面位移云圖分別見圖4-d）、e）、f）。

由圖4可知：模型上表面影響區(qū)域在395 m×255 m（長×寬）的范圍內(nèi)，且在上表面影響范圍最大；隨著深度的增加，影響范圍逐步減小，各剖面最大位移量均為充填體的沉降量約為5 mm。另外，當(dāng)灰砂比為1∶8（即充填體強(qiáng)度約為3.5 MPa）時，副井完全位于影響范圍之外，而老主井和新主井雖然在一定深度上會受到影響，但其周邊區(qū)域巖移量不超過2 mm，在GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》允許的范圍內(nèi)。因此，當(dāng)充填體強(qiáng)度超過3.5 MPa時，充填后基本能滿足新主井、老主井和副井的安全穩(wěn)定需要。

3）方案3計算結(jié)果分析。

將模型中-570 m中段的礦體特性參數(shù)設(shè)置為方案3的充填體特性參數(shù)，然后進(jìn)行運(yùn)算，-470 m、-520 m和-570 m水平剖面位移云圖見圖5-a）、b）、c），穿過老主井、新主井、副井的垂直剖面位移云圖分別見圖5-d）、e）、f）。

由圖5可知：模型上表面影響區(qū)域在395 m×250 m（長×寬）的范圍內(nèi)，且在上表面影響范圍最大；隨著深度的增加，影響范圍逐步減小，各剖面最大位移量均為充填體的沉降量約為5 mm。 另外，當(dāng)灰砂比為1∶10（即充填體強(qiáng)度約為2.3 MPa）時，老主井、新主井和副井均會受到一定程度的影響，但影響程度都較輕，而老主井井筒周邊區(qū)域巖移量接近規(guī)范允許值（2～3 mm），充填后基本能滿足新主井、老主井和副井的安全穩(wěn)定需要。

4）各方案計算結(jié)果對比分析。

綜合上述不同灰砂比（不同充填體強(qiáng)度）充填體采充后的模擬結(jié)果分析可知，當(dāng)灰砂比為1∶6的高強(qiáng)度充填體（7 MPa）時，充填后新主井和副井完全位于影響范圍之外，而老主井雖然會受到一定影響，但其周邊區(qū)域巖移量約為1 mm，在設(shè)計規(guī)范所允許的范圍內(nèi)。因此，當(dāng)充填體強(qiáng)度超過7 MPa時，充填后能保證新主井、老主井和副井的安全性。當(dāng)充填體灰砂比為1∶8和1∶10（強(qiáng)度分別約為3.5 MPa和2.3 MPa）時，副井幾乎不受回采擾動影響，而老主井和新主井雖然一定程度上會受到影響，但其周邊區(qū)域巖移量不超過2 mm，在設(shè)計規(guī)范允許的最大范圍內(nèi)。同時，由于模擬中沒有考慮爆破等因素對區(qū)域穩(wěn)定性的影響，因而，為了確保保安礦柱區(qū)域的回采足夠安全可靠，充填體強(qiáng)度要求達(dá)到3.5 MPa以上較為適宜，充填后可滿足新主井、老主井和副井的安全穩(wěn)定需要。

3 結(jié) 論

本文針對保安礦柱采場充填的特殊性，對采場的合理充填體強(qiáng)度進(jìn)行了理論計算分析和不同充填體強(qiáng)度下數(shù)值模擬分析，綜合分析可得出如下結(jié)論：

1）采場充填體所需合理強(qiáng)度主要與采場長度和充填體高度有關(guān)。在相同高度下，充填體所需強(qiáng)度隨采場長度增大而增大；相同采場長度下，充填體所需強(qiáng)度隨充填體的高度增大而增大，一般采場底部充填體所需強(qiáng)度最大。

2）綜合理論計算和數(shù)值模擬分析，同時考慮保安礦柱范圍內(nèi)爆破、充填接頂率等現(xiàn)實因素，對于保安礦柱范圍內(nèi)采場長度20～60 m、高度40 m時的充填體強(qiáng)度要求達(dá)到3.5 MPa以上，其中越靠近井筒的采場對充填體質(zhì)量和強(qiáng)度要求越高。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Research on the reasonable filling body strength for the recovery of security ore pillars in Sanxin Gold Copper Mine

Abstract：In order to safely recover the security ore pillars in Sanxin Gold Copper Mine and ensure the stability of filled stope，theoretical calculations were conducted on the reasonable filling body strength in the stope.Numerical simu-lations were performed on the stope stability under different filling body strengths （cement-sand ratio） to determine the reasonable range of filling body strength.The results indicate that the required strength of the filling body in the stope is mainly related to the length of the stope and the height of the filling body.For security ore pillar stopes with lengths ranging from 20 m to 60 m and a height of 40 m，the filling body strength needs to be above 3.5 MPa.The surrounding rock displacement should not exceed 2 mm，which falls within the allowable range specified by design standards，ensuring safety.

Keywords：security ore pillar;filling mining method;reasonable filling body strength;numerical simulation;stability